DE2121979A1

DE2121979A1 - Aufnahmekopf für einen optischen Korrelations-Geschwindigkeitsmesser

Info

Publication number: DE2121979A1
Application number: DE19712121979
Authority: DE
Inventors: John Wabern Schweizer (Schweiz). M *
Original assignee: Hasler AG
Current assignee: Hasler AG
Priority date: 1971-02-26
Filing date: 1971-05-04
Publication date: 1972-08-31
Also published as: DD96341A5; GB1387745A; FR2126447A1; SE372104B; US3799671A; CS162775B2; CH528738A; FR2126447B1

Description

P A T E N Γ A N W Ä L Γ E . .. „' _1(V7.

r> λ , . , . Essen, den J. Mai 1971

Dr. Andrejewski .^₆ 727/Wa)

Dr.-Ing. .Honke 7 191Q7Q

lpl.-lng. Gesthuysen .

Essen, Theaterplatz 3
Telefon 223994

Hasler AG. Bern
Aufnahmekopf für einen optischen Korrelations-Geschwindigkeitsmesser

Die Erfindung betrifft einen Aufnahmekopf für einen optischen Korrelations-Geschwindigkeitsmesser zur Messung der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Aufnahmekopf und einer ihm gegenüberstehenden Fläche mittels Vergleich des von zwei beleuchteten Flächenelementen reflektierten Lichtes, welche ortsfest im Vergleich zum Aufnahmekopf sich auf einer Bahn auf der genannten Fläche hintereinander bewegen. ·

Derartige Korrelations-Geschwindigkeitsmesser sind bekannt. Das von den Flächenelementen reflektierte Licht wird von zwei photoelektrischen Wandlern aufgenommen und erzeugt zwei elektrische Spannungssignale, die miteinander korreliert werden, wodurch eine Information über die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Geschwindigkeitsmesser und der bewegten Fläche gewonnen werden kann.

Die Erfindung gibt einen Aufnahmekopf an, der leicht einzubauen und unempfindlich im Betrieb ist und besonders kontrastreiche Signale liefert. Er ist gekennzeichnet durch mindestens eine Lichtquelle zur Aussendung von intensiven Lichtstrahlen, ein Linsensystem mit einem einzigen Objektiv, welches die Lichtstrahlen auf die zwei genannten Flächenelemente führt und mit dessen Hilfe ein Teil des von jedem der beiden Flächenelemente reflektierten Lichtes auf je einen photoelektrischen Wandler geleitet wird, und einen

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Strahlteiler zur Trennung der beleuchtenden und der reflektierten Strahlen. Die Zusammenfassung der beleuchtenden und der reflektierten Strahlen für beide Flächenelemente ergibt einen Ablesekopf, der kleiner ist, weniger Material enthält und der leichter einzubauen und zu warten ist als ein Ablesekopf paar mit zwei Lichtquellen und zwei Objektiven. Ausserdem kann sich der Abstand der beiden Flächenelemente nicht verändern.

Im folgenden werden anhand der Zeichnungen drei Ausführungsbeispiele für den erfindungsgemässen Aufnahmekopf beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen solchen mit zwei Lichtquellen,

Fig. 2 mit einer Lichtquelle und einem Doppelprisma im Beleuchtungsstrahlengang,

Fig. 3 zeigt eine Anordnung mit einer Lichtquelle und zwei Polarisationsprismen.

Fig. 1 zeigt den optischen Strahlengang in einem Aufnahmekopf mit zwei Lichtquellen. 1 ist eine Fläche,-beispielsweise die Oberfläche einer Eisenbahnschiene, gegenüber welcher der Beleuchtungs- und Aufnahmekopf horizon- ^ tal von links nach rechts oder von rechts nach links bewegt wird. Er enthält

zwei Lichtquellen 2 und 3, welche durch Halbleiterlaser gebildet werden können, die eine sehr kleine strahlende Oberfläche haben. Die beiden Lichtquellen werdendurch das Objektiv 5 auf die beiden Flächenelemente 6 bzw. abgebildet, welche in der genannten Fläche auf einer Bahn in Bewegungsrichtung liegen. Diese Flächenelemente sind somit ortsfest im Vergleich zum Aufnahmekopf und bewegen sich entlang der Oberfläche der Schiene. Bewegt sich beispielsweise der Aufnahmekopf von links nach rechts, was durch einen Pfeil angedeutet ist, so werden die Flächenelemente 6 und 7 nacheinander mit einem zeitlichen Abstand, der von ihrem örtlichen Abstand

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und von der Relativgeschwindigkeit des Aufnahmekopfes gegen die Oberfläche abhängt, auf denselben Punkt dieser Fläche zu liegen kommen. Das Flächenelement 6 wird über das Objektiv 5 und den Strahlteiler 4 . auf den photoelektrischen Wandler 8 abgebildet, desgleichen wird das Flächenelement 7 auf den photoelektrischen Wandler 9 abgebildet. In diesen entstehen elektrische Signälspannungen, welche durch die Drähte 10 bzw. 11 zu einer nicht gezeichneten elektronischen Messschaltung weitergeleitet werden. Der Strahlteiler kann aus einem halbdurchlässigen Spiegel bestehen oder aus gegeneinander verschobenen Spiegelleisten (Sparren) oder aus einer anderen bekannten Vorrichtung.

Fig. 2 zeigt den Strahlengang in einem Aufnahmekopf mit einer einzigen Lichtquelle 12. Diese wird durch den Strahlteiler 24 und das Objektiv 25 auf die Ebene 21 abgebildet. Durch das doppelkeilförmige Prisma 23 wird der von der Lichtquelle 22 kommende Lichtstrahl aufgespalten, so dass auf der Ebene 21 zwei Bilder 26 und 27 der Lichtquelle entstehen. Diese werden über die Linse 25 und. den halbdurchlässigen Spiegel 24 auf die beiden photoelektrische Wandler 28 und 29 abgebildet, die mit den Leitungen 30 und an die elektronische Auswerteschaltung angeschlossen sind. Die Wirkungsweise ist die gleiche wie bei Fig. 1 .

Fig. 3 zeigt eine weitere Anordnung, welche mit einer Lichtquelle 42 arbeitet. Diese Lichtquelle wird durch einen Laser gebildet. Der von dieser ausgehende Lichtstrahl geht durch ein Polarisationsprisma 43, welches eine Strahlaufspaltung in die beiden Strahlen 54 und 55 bewirkt. Ein derartiges Prisma wird auch als Wollaston- oder Rochon-Prisma bezeichnet. Die beiden Strahlen sind in zwei aufeinander senkrecht stehenden Ebenen polarisiert. Die Strahlen gehen durch den Strahlteiler 44 und werden durch das Objektiv 45 auf die beiden Flächenelemente 46 und 47, die in der Fläche 41 liegen, geführt.

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Das. Licht wird zum Teil reflektiert, wobei an der Polarisationsebene des Lichtes nichts geändert wird. Die reflektierten Lichtstrahlen gehen nach Reflektion am Strahlteiler 44 durch ein zweites Polarisationsprisma 53. Dieses spaltet die Strahlen wieder in zwei Teile auf, von denen der eine_._. auf den photoelektrischen Wandler 48, der andere auf den photoelektrischen Wandler 49 fällt. Die Orientierung dieses Polarisationsprismas ist-derart gewählt, dass nur Strahlanteile, die die gleiche Polarisationsrichtung wie der Strahl 54 haben, auf den photoelektrischen Wandler 48 kommen und nur Strahlanteile die die Polarisationsrichtung wie der Strahl 55 haben, auf den photoelektrischen Wandler 49 gelangen. Die Wandler sind durch die Drähte 50 und 51 mit der nicht gezeichneten elektronischen Auswertevorrichtung verbunden.

Bei dem in Fig. 3 gezeichneten Strahlengang hat der Strahl am Eingang des ersten Polarisationsprismas einen sehr kleinen Durchmesser. Dies kann durch eine Blende 46 oder durch eine Optik erreicht werden. Der Strahlteiler 44 kann in diesem Falle aus einem Spiegel mit zwei'feinen Löchern 56, 57 bestehen. Durch das Objektiv 45 werden diese beiden Strahlen parallel gerichtet und fallen auf die Flächenelemente 46 und 47 der Fläche 41 . Da die Strahlen parallel sind, ist der Abstand 1 der beiden Flächenelemente nicht vom Abstand der Fläche 41 vom Objektiv 45 abhängig.

Infolge der genannten Orientierung des zweiten Polarisationsprismas 53 gelangt auf den photoelektrischen Wandler 48 nur Lichtenergie vom Flächenelement 46 und auf den photoelektrischen Wandler 49 nur Lichtenergie vom Flächenelement 47. (Abgesehen von etwaiger Beleuchtung der Flächenelemente durch Fremdlicht, die aber gering ist" gegenüber der Beleuchtung durch

den Aufnahmekopf und die durch die Polarisation im zweiten Polarisationsprisma weiter geschwächt wird).

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Deswegen ist es auch nicht schädlich, wenn durch eine unscharfe optische Abbildung Licht beispielsweise vom Flächenelement 46 auf den photoelektrischen Wandler 49 gelangen würde. Dieses Licht wird durch das zweite Polarisationsprisma 53 unterdrückt. Auch aus diesem Grunde wird die Anordnung unempfindlich gegen Aeaderungen des Abstandes der Fläche 41, zum Objektiv 45.

Bei der in Fig. 3 gezeichneten optischen Anordnung kann auch ein anderer Strahlengang verwendet werden (nicht gezeichnet), derart, dass man einen

breiteren Strahl am Eingang des ersten Polarisationsprismas 43 hat und.die '

aus dem Prisma austretenden Strahlen durch das Objektiv 45 auf zwei Punkte

der Fläche 41 fokussiert werden. '

Es ist bekannt, dass Laserstrahlen ausserordentlich fein fokussiert werden können, so dass beispielsweise die beleuchteten Flächenelemente 46 und 47 Durchmesser von kleiner als 100um haben. Deswegen kann.auch der Abstand der beiden Flächenelemente sehr stark reduziert werden, beispielsweise auf 1 mm und darunter. Damit ist die Laufzeit zwischen diesen beiden Punkten so klein, dass Bewegungskomponenten des Aufnahmegerätes, die ^

nicht mit der Richtung des mittleren Fortschritts übereinstimmen, keine Bedeutung mehr haben. Ausserdem wird durch die Verwendung von Laserstrahlen wegen der Kohärenz dieser Strahlen und wegen der Kleinheit der Lichtpunkte der Kontrast des reflektierten Lichtes gegenüber grossflächigerer Abtastung wesentlich erhöht, so dass die Auswertung erleichtert wird. Wegen der Kleinheit des Abstandes 1 ist es schwierig, die von den beiden Flächenelementen 46 und 47 ausgehenden Strahlen durch eine Abbildungsoptik zu trennen, während eine Unterscheidung auf Grund der verschiedenen Polarisation der beiden Strahlen sogar bis zu Abständen von der Grosse des Durchmessers der Flächenelemente ohne schwierige Justierung möglich ist.

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Es ist selbstverständlich bei allen beschriebenen Anordnungen möglich, die Lage der Lichtquelle und der photoelektrischen Wandler zu vertauschen, so dass die photoelektrischen Wandler in der Nähe der Objektivachse zu liegen kommen und die Lichtquelle auf einer Achse senkrecht zu dieser. In Fig. 3 wäre dann an Stelle des Spiegels mit kleinen Löchern, zwei sehr kleine Spiegel zu verwenden, die etwas grosser als der Strahldurchmesser sein müssten.

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Claims

Patentansprüche

l.J Aufnahmekopf für einen optischen Korrelationsgeschwind igke it sme as er zur Messung der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Aufnahmekopf und einer ihm gegenüberstehenden Fläche mittels Vergleich des von zwei beleuchteten Flächenelementen reflektierten Lichtes, welche ortsfest im Vergleich zum Aufnahmekopf sich auf einer Bahn auf der genannten Fläche hintereinander bewegen, gekennzeichnet durch mindestens eine Lichtquelle zur Aussendung von intensiven Lichtstrahlen, ein einziges Objsktiv, welches die Lichtstrahlen auf die zwei genannten Flächenelemente führt und mit dessen Hilfe ein Teil des von jedem der beiden Punkte reflektierten Lichtes auf je einen photoelektrischen Wandler geleitet wird und durch einen Strahlteiler zur Trennung der beleuchtenden und der reflektierten Strahlen.
2. Aufnahmekopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv zwei Lichtquellen auf die genannten zwei Punkte und diese auf zwei photoelektrische Wandler abbildet.
3. Aufnahmekopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv eine Lichtquelle auf die

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beiden' Punkte und diese auf zwei photoelektrische
Wandler abbildet.
4. Aufnahmekopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang zwischen Lichtquelle
und Strahlteiler ein doppelkeilförmiges Prisma liegt.
5. Aufnahmekopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass-zwischen Lichtquelle und Objektiv ein
Polarisationsprisria liegt, welches das von der Lichtquelle kommende Licht in zwei Strahlen mit zueinander senkrechten Polarisationsebenen aufteilt, welche
Strahlen durch das Objektiv auf je einen der beiden
Punkte fokussiert werden.
6. Aufnahmekopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sichzwischen dem Strahlteiler und den

^ Photozellen ein zweites Polarisationsprisma befindet, W . ■ .

welches die beiden Strahlen, die von je einem der beiden Flächenelemente herrühren, und in zueinander senkrechten Ebenen polarisiert sind., auf je einen photoelektrischen Wandler leitet.
7. - Aufnahmekopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der Strahlen durch
stimulierte Emission erfolgt.

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8. Aufnahmekopf nach den Ansprüchen 5., 6 und' 7, dadurch gekennzeichnet, dass die am Ausgange des-ersten Polarisationsprismas divergierenden Strahlen durch das Objektiv in zwei parallele Strahlen gerichtet werden.
9. Aufnahmekopf nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden beleuchtenden Strahlen in der Fläche fokussiert sind und dass ,jede der dadurch entstehenden Lichtflächen über das'Objäctiv auf eine der beiden photoelektrischen Wandler abgebildet wird.
10. Aufnahmekopf nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurchgekennzeichnet, dass die von dem Objektiv fokussierten Lichtpunkte einen Durchmesser von -^ 100 um und einen gegenseitigen Abstand von -< 1 mm haben.

X/jk - 4402
14.4.1971

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